惊人的能量——核能

1、惊人的能量核能,核能及其机理,核反应堆,核电站,核燃料处理,同位素辐射技术,核能及其机理,1. 原子的组成 原子是由质子、中子和电子组成的。世界上一切物质都是由原子构成 的，任何原子都是由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的电子构成 的。一个铀-235原子有92个电子，其原子核由92个质子和143个中子组成。 50万个原子排列起来相当一根头发的直径。如果把原子比作一个巨大的宫 殿，其原子核的大小只是一颗黄豆,而电子相当于一根大头针的针尖。一座 100万千瓦的火电厂，每年要烧掉约330万吨煤，要用许多列火车来运输。 而同样容量的核电站一年只用30吨燃料。,原子的大小与质量 在原子中，电子的数目与其原子核中质子的数目相等，所以整个原子是呈电中性。原子是非常小，非常轻的。其直径约为0.00000001厘米（10-8厘米）。原子的静止质量约为110-27-110-23克，如果一滴水像地球那样重，它中间的一个原子才不过几千克。原子的质量几乎全部集中在原子核上。国际上规定用碳-12原子质量的1/12作为原子质量单位，其数值为1.660610-24克。这样，知道了碳原子的绝对质量，任何原子的绝对质

2、量都可以从它们的相对质量中算出。因为中子与质子的相对质量都接近于1，所以，原子核中的核子数（质子和中子）就是原子的质量数。,2. 原子核的结构 原子核一般是由质子和中子构成的，最简单的 氢原子核只有一个质子，原子核中的质子数（即原 子序数）决定了这个原子属于何种元素，质子数 和中子数之和称该原子的质量数。,原子核的大小与质量 原子核的直径为10-13-10-12厘米。它由一定数量的质子和中子组成，具有自旋、宇称和电磁矩等性质。质子带正电荷；中子为中性粒子，不带电荷。在外界场或粒子的作用下，原子可能失去部分外围电子。电子不足的原子我们称为正离子；原子也可以吸附电子，此时它被称为负离子。自然界中最轻的原子核只由一个质子组成，它是氢的原子核；最重的原子核由94个质子和150个中子组成，它是钚-244的原子核。人工合成的原子核的质子数现已达到116。,我们来看几个具体的原子、原子核结构的例子。 氢（H）原子：由1个质子（即氢原子核）和1个绕它高速旋转的电子组成； 氦（He）原子：由2个质子和2个中子（组成氦原子核）和绕氦原子核高速旋转的2个电子组成； 氧（O）原子：由8个质子和8个中子（组成氧

3、原子核）和绕氧原子核高速放置的8个电子组成； 铀（U）原子：如铀-235由92个质子和143个中子（组成铀原子核）和绕铀原子核高速旋转的92个电子组成 原子核的质量并不等于组成原子核的核子质量之和。组成原子核的质子及中子的质量之和与该原子质量之差称为该核的质量亏损。核子结合成原子核时，这种质量上的养活按照质能关系，能释放出巨的大的能量，这种能量称为原子核的结合能。简单的氕核结合能，大约等于2.225兆电子伏。可见，原子核中蕴藏着无穷无尽的能量，是一个能源宝库。,3.放射性与放射性衰变 原子核自发地放射出，等射线的现象，称为放射性。 中子数和质子数过多或偏少的核素都是不稳定的，它会自发地蜕变成另一种核素，同时放出射线。这种现象叫做放射性衰变。放射性衰变主要有三种：衰变、衰变和衰变。 放射性活度是一定量的放射性物质在单位时间间隔内的核衰变数。它的法定计量单位是贝可。1贝可=1次衰变每秒。它与旧单位居里的关系：1居里=3.71010贝可。在单一的放射性衰变过程中，放射性核素的活度减少到其原有值一半所需的时间，称为半衰期。它是放射性元素的一个特性常数。 原子核放射性衰变的规律为：放射性原子核的

4、数目随时间按指数规律减少。鉴于，射线的电离作用和贯穿本领，在工农业生产和科学研究中有重要应用。,4. 核素和同位素 具有特定质量数、南子数和核能态的一类原子称为核素。具有放射性的核素称为放射性核素，不发生和极不易发生放射性衰变的核素，称为稳定核素。 质子数相同而中子数不同的一些原子，或者说原子序数相同而原子质量数不同的一些原子，它们在化学元素周期表上占据同一个位置，称为同位素。所以，“同位素”一词用来确指某个元素的各种原子，它们具有相同的化学性质。同位素的化学性质基本相同，但核特性不同。具有放射性的同位素就叫做放射性同位素。存在于自然界中的放射性同位素叫做天然放射性同位素；用人工方法制造出的放射性同位素叫做人工放射性同位素。不具有放射性的同位素，其原子核是稳定的，称为稳定同位素。同位素按其质量不同通常又分为轻同位素和重同位素。 同位素按其质量不同通常分为重同位素(如铀-238、铀-235、铀-234和铀-233）和轻同位素（如氢的同位素有氘、氚）。,5. 核能 在50多年前，科学家发现铀-235原子核在吸收一个中子以后 能分裂，同时放出23个中子和大量的能量，放出的能量比化学 反应中释

5、放出的能量大得多，这就是核裂变能，也就是我们所说 的核能。原子弹就是利用原子核裂变放出的能量起杀伤破坏作用， 而核电反应堆也是利用这一原理获取能量，所不同的是，它是可 以控制的。,核能是可持续发展的能源 世界上已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨。这些裂变燃料足够使用到聚变能时代。聚变燃料主要是氘和锂，海水中氘的含量为0.034克/升，据估计地球上总的水量约为138亿亿立方米，其中氘的储量约40万亿吨，地球上的锂储量有2000多亿吨，锂可用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。按目前世界能源消费的水平，地球上可供原子核聚变的氘和氚，能供人类使用上千亿年。因此，有些能源专家认为，只要解决了核聚变技术，人类就将从根本上解决了能源问题。,6. 轻核聚变 两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能 量，这种反应叫轻核聚变反应。它是取得核能的重要途径之一。在太 阳等恒星内部，因压力、温度极高，轻核才有足够的动能去克服静电 斥力而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度 下进行，故称为“热核聚变反应”。 氢弹是利用氘氚原子核的聚变反应 瞬间释放巨大能量起杀伤破坏

6、作用，正在研究受控热核聚变反应装置 也是应用这一基本原理，它与氢弹的最大不同是，其释放能量是可以 被控制的。,7.重核裂变与链式裂变反应 重原子核分裂成两个（少数情况下，可分裂成3个或多个）质量相近的碎片的现象称为核裂变，例如铀核裂变。原子核自发地分裂成两个质量相近的碎片的现象称为自发裂变。 易裂变原子核在中子的作用下发生裂变形成碎片，这些碎片及其衰变子体称为裂变产物。裂变产物是多种多样核素的复杂混合物。链式裂变反应是一系列的核裂变反应，其中每一次核裂变反应都是由前一次核裂变反应所产生的中子引起的。核裂变反应的一个重要特点是一个易裂变核每吸收一个中子发生裂变反应后平均放出2-3个次级中子。这些次级中子在一定条件下又有一部分引起其他易裂变核的裂变，如此连续进行下去便形成链式裂变反应。,链式裂变反应分为自持型、发散型和收敛型三种。如果每次裂变产生的次级中子，平均有一个能够引起下一级的裂变反应，则链式反应即可进行下去。这种情况称作自持链式反应。与此对应的裂变系统的状态就称为临界状态。如果每次裂变产生的次级中子，平均有1个以上能引起下一级的核裂变反应，则裂变反应规模将越来越大，就叫发散型链式反

7、应，与其相对应的裂变系统的状态称为超临界状态。如果每次裂变反应产生的次级中子平均不到一个能引起下一级的核裂变反应，裂变反应的规模就愈来愈小，直到反应终止。这种链式反应称为收敛型链式反应，与其相对应的裂变系统的状态称为次临界状态。,8铀的特性及其能量的释放 铀是自然界中原子序数最大的元素，天然铀由几种同位素 构成:除了0.1的铀-235（235是质量数）、微量铀-234外， 其余是铀-238，铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完 全燃烧放出能量的2700000倍。也就是说1克-235完全裂变释 放的能量相当于2吨半优质煤完全燃烧时所释放的能量。,9. 核能如何释放 核能的获得主要有两种途径，即重核裂变与轻核聚变。 -235，有一个特性，即当一个中子轰击它的原子核时， 它能分裂成两个质量较小的原子核，同时产生23个中子 和、等射线，并释放出约200兆电子伏特的能量。 如果有一个新产生的中子，再去轰击另一个铀-235原 子核，便引起新的裂变，以此类推，这样就使裂变反应不 断地持续下去，这就是裂变链式反应，在链式反应中，核 能就连续不断地释放出来。,10. 核聚变能量的释放 与铀相同数

8、量的轻核聚变时放 出的能量要比铀大几倍。例如1克 氘化锂（i-6）完全反应所产生 的能量约为1克铀-235裂变能量的 三倍多。实现核聚变的条件十分苛 刻，即需要使氢核处于几千万度以 上高温才能使相当的核具有动能实 现聚合反应。,back,11.核能的高技术性 与现代航天技术、微电子技术、生物工程等重要领域一样，原子能工业也是当代高技术的重要领域之一。它的行业与产业的发展是建立在不断前进与创新的先进核科学技术基础之上的。一个国家核领域的基础研究和技术开发的水平，决定并标志着一个国家原子能工业发展的总体水平。先进核反应堆的核电站就是依靠核领域的高科技发展起来的。也就是说，核行业的基础是高科技，离开了高科技就没有核工业行业及其所属产业。 从上述各点不难看出，核工业及其所属产业的发展，牵动着一个国家的全局与未来的长远利益，因此，核工业发展的决策属高层次的“国家级决策”（战略决策）。,从核工业自身内涵的突出特点可以十分明显地看出，在取得政治、军事、经济、社会、环境五大重要领域的综合效益，进而促进社会和国民经济持续、协调、优质发展中，核工业具有不同于其他任何工业部门的特殊的战略地位。 认清了战略地

9、位,还需要果断正确的决策。正确的决策应来自两个方面：一是以深入的科学研究为基础，要总结各国的和历史上科学技术、工业、农业发展的规律，把认识上升到理性的高度，针对我国的现状和未来的发展，然后提出正确的科学的依据；二是根据领导层对事物全局作总体的把握做出决断，由此产业的决策可能会较少失误。前者体现了以科学技术和资本经济为基础的技术决策咨询作用，以保证决策的科学化民主化；后者则体现了以权力为基础的决策执行作用，可以保证决策实施的有效性。 国家决策者只有把知识和权力结合起来，在知识经济时代才能形成既具效率又有经济效益的社会攻坚力量,1. 核反应堆及其组成 核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应，从而实 现核能热能转换的装置。核反应堆是核电厂的心脏，核裂 变链式反应在其中进行。 1942年美国芝加哥大学建成了世界上第一座自持的链式 反应装置，从此开辟了核能利用的新纪元。 反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与 保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。 堆芯中的燃料：反应堆的燃料，不是煤、石油，而是可 裂变材料。自然界天然存在的易于裂变的材料只有-235， 它在天然铀中的含量仅有0.711，另外两种同位素-238和 -234各占99.238和0.0058，后两种均不易裂变。,核反应堆,燃料包壳：为了防止裂变产物逸出，一般燃料都需用 包壳包起来，包壳材料有铝、锆合金和不锈钢等。控制与 保护系统中的控制棒和安全棒：为了控制链式反应的速率 在一个预定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒， 称之为控制棒和安全棒。控制棒用来补偿燃料消耗和调节 反应速率；安全棒用来快速停止链式反应。吸收体材料一 般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等。 冷却系统中的冷却剂： 为了将裂变的热导出来，反应堆必须有冷却剂，常用的冷 却剂有轻水、重水、氦和液态金属钠等。 慢化系统中的慢化剂：由于慢速中子更易引起铀-235 裂变，而中子裂变出来则是快速中子，所以有些反应堆中 要放入能使中子速度减慢的材料，就叫慢化剂，一般慢化 剂有水、重水、石墨等。,反射层：反射层设在活性区四周，它可以是重水、轻水、 铍、石墨或其它材料。它能把活性区内逃出的中子反射回去， 减少中子的泄漏量。 屏蔽系统：反应堆周围设屏蔽层，减弱

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